Глава 4. Влияние отпуска на уровень остаточных напряжений

Закалка стальных металлоизделий (особенно с полиморфными превращениями) приводит к существенному увеличению дефектности кристаллической решетки, уровня остаточных напряжений (термических и структурных), получению метастабильных структурных состояний, что требует проведения после закалки отпуска. В процессе отпуска в закаленном металле протекают следующие основные процессы, влияющие на уровень остаточных напряжений, коробление, деформацию и растрескивание металла изделий:

1-релаксация остаточных напряжений, которая зависит от температуры нагрева, скорости и равномерности нагрева, времени выдержки, от степени метастабильности структуры в закаленном металле, способа закалки, отпуска и др.;

2-выделение углерода (азота) из твердого раствора с образованием частиц вторичной фазы, их ростом до критического размера, потери когерентности и дальнейшей коагуляции и сфероидизации частиц;

3-распад остаточного аустенита;

Повышение температуры отпуска приводит к увеличению диффузионных процессов и возрастанию пластичности. На рис.12 приведены значения уровня остаточных напряжений в стали с 0,3% углерода при отпуске в течение 1,5 часа при разных температурах.

1 -осевые напряжения; 2 -окружные; 3 -радиальные.

Рис.12 - Влияние температуры отпуска на уровень остаточных напряжений (Нахимов Д.М.).

Предварительно цилиндрические образцы диаметром 50мм были нагреты до 600⁰С и охлаждены в воде (образовались термические напряжения). При температурах»250-450⁰С интенсивность изменения уровня остаточных напряжений уменьшается, что связано с процессами образования частиц вторичной фазы (цементита), их ростом до критического размера, потери когерентности их с матрицей.

На рис.13 приведены данные по влиянию длительности отпуска при разных температурах на уровень остаточных напряжений.

Рис.13 -Влияние продолжительности отпуска при различных температурах на уровень осевых напряжений (Бюлер и др.)

Интенсивность снижения уровня остаточных напряжений в металле деталей существенно зависит от состояния металла перед отпуском. На рис.14 приведены данные об изменении напряжений в кольцевых образцах из Cr-Ni-Mo стали с различным структурным состоянием (определяется предварительной обработкой) при отпуске в течение 2 часов при разных температурах.

Сплошная линия (¾) -предварительный режим обработки - закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис.14 - Снижение уровня напряжений при нагреве образцов с различным структурным состоянием (Нахимов Д.М.).

Образцы с различным структурным состоянием (после закалки и отпуска при 180⁰С и после закалки и отпуска при 650⁰С) подвергались операции механического нагружения для введения в металл примерно одинакового уровня напряжений. Для этого в зазор кольцевых образцов вводился клин с расчетом, что на всех образцах при этом создавались напряжения»500 Мпа (50 кг\мм²).

Результаты исследований показывают (рис.14 и 15), что интенсивность снижения уровня напряжений в кольцевых образцах увеличивается с повышением степени метастабильности исходного структурного состояния – в стали после закалки и низкого отпуска (180⁰С) степень метастабильности структуры существенно более высокая по сравнению с структурой сорбита отпуска. При этом наблюдается большое различие не только в интенсивности снижения напряжений, но и в уровне остаточных (в металле после отпуска) напряжений в зависимости от температуры и длительности отпуска (рис.15).

Зависимость пластической деформации некоторых сталей от температуры и длительности отпуска под нагрузкой показывает, что температура отпуска влияет значительно сильнее, чем выдержка. При этом следует отметить, что значительная часть пластического эффекта реализуется уже во время прогрева, и затем, в первые минуты выдержки при отпуске.

Сплошная линия (¾) -предварительный режим обработки- закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис. 15 –Влияние продолжительности нагрева при 250, 300 и 450⁰С на снижение уровня напряжений в кольцевых образцах

(НахимовД.М.).

Для сталей с повышенным содержанием остаточного аустенита после закалки в практике используют многократные отпуска в связи с тем, что распад А_ост протекает стадийно и на каждой стадии его распада в структуру мартенсита или бейнита уровень напряжений в металле повышается. Поэтому многократный отпуск предназначен как для перевода А_ост во вторичную структуру, так и для снижения уровня остаточных напряжений на каждой стадии его проведения.

При производстве инструмента, например, режущего, могут производить правку в процессе закалки, после закалки, при отпуске или после отпуска. Часто производят дополнительный отпуск для уменьшения уровня остаточных напряжений после финишной шлифовки или правки, но при этом температура отпуска должна быть ниже финишного отпуска после закалки.